电路原理.徐福媛r1.ppt

作业,书 ： 1-1 ， 1-2 ，1-5,习题集： 1-1,第一章 电路元件和电路定律,(circuit elements),(circuit laws),1.1 电路和电路模型（model),一、 电路：构成电流通路的电气设备的总称。,电源(source)：提供能量或信号.,负载(load)：将电能转化为 其它形式的能量。,导线(line)、开关（switch)： 将电源与负载接成通路.,二、电路模型 (circuit model),1. 理想电路元件：,导线：,电阻：,电感：,电容：,电源：,由实际元件抽象出来具有某种单一电磁性质的假想元件。,只流通电流，不消耗能量,表示消耗电能的元件,表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用,表示各种电容器产生电场，储存电能的作用,表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,注意：,三、电路中的主要物理量,1. 电流 (current)：带电质点的运动形成电流。,电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。,单位：A (安) (Ampere，安培),kA, mA ,A,方向：正电荷移动方向,Iab,2. 电压 (voltage)：,单位：V (伏) (Volt，伏特),kV, mV ,V,方向：电场力做功的方向,静电场中，电压与路径无关,电场力把单位正电荷q从A点移至B点所做的功。,?,3. 电位：电路中任选某一点为参考点，把其它点到参考点的电压称为该点的电位。,电位用 表示，单位与电压相同，也是V(伏)。,设c点为电位参考点，则 c=0,a=Uac， b=Ubc， d=Udc,性质：,参考点可任意选择，一但选定各点电位确定。 参考 点不同，各点电位数值不同。,两点间电压与电位的关系：,电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位差。,例 ad,当 Uad 0,ad 0,a d,Uad 为高电位指向低电位,电压又称电位降,= Uac Udc =Uac +Ucd= Uad,4. 电动势(eletromotive force)：电源内部，局外力克服电场力把单位正电荷从b点移到a点所做的功。,E 的单位与电压相同，也是 V (伏),方向：电位升高的方向,E= U,E与U的 关系,E= - U,1.2 电压和电流的参考方向 (reference direction),一.为什么要引入参考方向 ？,电流 电压,二.参考方向(正方向)：任意假定的一个方向,如何由参考方向判定实际方向？,1. 电流的参考方向,实际方向下 i 0, 参考方向下i可能 0, 也可能 0.,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,规定：电流的参考方向与实际方向的关系：,例：,结论：由参考方向及电流正、负号结合判定其实际方向。,2. 电压的参考方向,UAB,3.电动势参考方向,E0,E0,三.关联参考方向，欧姆定理,关联方向,非关联方向,欧姆定理:,小结：,(1) 电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前必须标明。,(4) 电路中所有公式都和参考方向配套使用。,(2) 以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向,(5)参考方向表示方法,(3) 解答结果0参考方向与实际方向一致,解答结果0 参考方向与实际方向相反。,例1：,U=？,U= - 5V,例2：,U=?,U= Ucb+Uba= E - IR,1.3 电路元件的功率 (power),一、 电功率：单位时间内电场力所做的功。,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳),二、功率的计算和判断,1. u, i 关联参考方向,表示元件吸收功率,P0,(P0表明 u、i 实际方向一致),表示元件发出功率,(P0表明 u、i 实际方向相反), 上述功率计算不仅适用于元件，也适用于任意二端网络。,P0,表示元件发出功率,P0,2. u, i 非关联参考方向,u, i 关联参考方向,P吸= ui,表示元件吸收功率,P发= ui,P0,已知 u=5V, i = -1A,P= ui = -5 W,(发出),P吸= ui = -5W,例 U1=10V， U2=5V。 分别求电源、电阻的功率。,I=UR/5,PR吸= URI = 51 = 5 W,PU1发 = U1I = 101 = 10 W,PU2吸= U2I = 51 = 5 W,P发 = 10 W， P吸= 5+5=10 W P发 =P吸 (功率守恒),=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,作业,书 ： 1-9 ，1-12,习题集： 1-4 , 1-6 , 1-23,1.4 电阻、电容、电感元件 (resistor) (capacitor) (inductor),一 . 线性电阻：,符号,线性电阻为任何时刻端电压与其电流成正比的元件。,定义：,电阻的单位： (欧姆),令 G 1/R,G称为电导,电导的单位： S (西门子),p吸 ui i2R u2 / R 0,功率：,电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,若伏安特性不是过原点直线则为非线性电阻,例：二极管,电容 C 的单位：F (法) (Farad，法拉),常用F，pF等表示。,线性电容:任何时刻，电容元件极板上的 电荷q与两端电压 u 成正比。 q =Cu,电路符号,二、线性电容元件,1.定义,线性电容的qu 特性(库伏特性)是过原点的直线,C= q/u tg,2.电容的电压、电流关系,C是与q、u无关的常数,u,q,i,i=?,电容隔直,u用i表示,电容电压与初起电压及从0到t的所有电流值有关,电容为记忆元件,3. 电容的储能,取 t1 -t2 时间,u(t1)-u(t2),充电时 u(t2) u(t1),W0,电容 吸收能量,放电时 u(t2) u(t1),W0,电容 放出能量,若设 t1 时u(t1)=0 则,t1-t2-t3,0- u-0,充电,放电,W放=W吸,无 源储能元件,0,u,4。实际电容器,三、线性电感元件,1.定义,符号,任何时刻，电感元件的磁链 与电流 i 成正比。, =Li, =N 为电感线圈的磁链,L 称为自感系数,线性电感的 i 特性是过原点的直线,L= /i tg, 单位韦伯,电感 L 的单位：H(亨) (Henry，亨利),(韦安特性),L是与 、i无关的常数,2.电感中电压、电流关系：,电磁感应定律,方向：由楞次定律决定,i,e,e大小:,规定正方 向：,i与 右手螺旋 i与e方向一致(e与 右手螺旋),1.当 增加,2.当 减少,电感电压与电流变化率成正比,直流时电感相当于 短路,3. 电感的储能,与电容相似，电感是无源元件，它本身不消耗能量。,时间由 0-t,电流由 0 -i(t),i用u 表示,(记忆元件),4.实际空心线圈,小结：,P=ui,1.5 电源元件 (source，independent source),一、理想电压源：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。,1. 特点：,(a) 电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 通过它的电流是任意的，由外电路决定。,电路符号,直流：uS为常数,交流： uS是确定的时间函数，如 uS=Umsint,2. 伏安特性,1. R改变时E不变,2. I 随R而变,思考：理想电压源能否短路？,U=ErI,实际电压源,伏安特性为：,r=0时 实际电压源,理想电压源,U=ErI,二、理想电流源：电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。,1. 特点：,(a) 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 电源两端电压是任意的，由外电路决定。,电路符号,直流：iS为常数,交流： iS是确定的时间函数，如 iS=Imsint,2. 伏安特性,IS,理想电流源不允许开路.,一种提供恒定电流的电子设备,4. 实际电流源,I=IS-GSU,I=IS-GSU,当GS=0 ，即RS =,小结：,1.端电压确定 2.电流由外电路决定 3.内阻R=0,1.电流确定 2.电压由外电路决定 3.内阻R=,PE吸=14=4W,PR吸=122=2W,PIS发=16=6W,功率守恒,1.6 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws ),Kirchhoffs Voltage Law KVL,Kirchhoffs Current Law KCL,一 、 几个名词：(定义),1. 支路 (branch)：电路中通过同一电流的每个分支。,b=3,2. 节点 (node): 三条或三条以上支路的连接点称为节点。,3. 回路(loop)：由支路组成的闭合路径。,4. 网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。,b=3,l=3,n=2,任何集总参数电路中，任一时刻，流出(流入)任一节点的 各支路电流的代数和为零。 即,物理基础:电流连续性。,令流出为“+”(支路电流背离节点),i1+i2i3+i4=0,例:,二、基尔霍夫电流定律 (KCL)：,i1+i3=i2+i4,KCL可推广到一个封闭面：,I1+I2+I3=0,(其中必有负的电流),思考：,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0,例:,顺时针方向绕行:,在任何集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径,各支路电压的代数和为零。 即,元件电压方向与路径绕行方向 一致时取正号，相反取负号。,物理基础:电压与路径无关。,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,三、基尔霍夫电压定律 (KVL)：,KCL、KVL小结：,(1) KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。,(2) KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,(3) 基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,(4) 根据参考方向正确表示KCL , KVL。,例：,求 i1 ， i2 , i3 .,i3 + 0.3 - 0.1 = 0,i3 = - 0.2A,i1=0.3+0.4=0.7A,i2+ 0.4 + 0.1 = 0,i2=-0.5A,校验： i1 + i2 ,+i3 = 0,解：,0.3,0.1,0.4,1.7 受控电源 (非独立源) (controlled source or dependent source),1. 定义：电压源电压或电流源电流是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。,作用：激励,电路符号,受控电压源,受控电流源,一个三极管可以用CCCS模型来表示CCCS可以用一个三极管来实现.,受控源是一个四端元件:,ic=b ib,(a) 电流控制的电流源 ( Current Controlled Current Source ), : 电流放大倍数,r : 转移电阻,2. 分类：,(b) 电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source ),g: 转移电导, :电压放大倍数,(c) 电压控制的电流源 ( Voltage